CN1120970C - 制冷系统、热泵系统及所述系统的制冷剂泄漏检测方法 - Google Patents

制冷系统、热泵系统及所述系统的制冷剂泄漏检测方法 Download PDF

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Abstract

在使用制冷剂的制冷装置和热泵型制冷装置中的一种低成本的制冷剂泄漏检测装置。该装置包括一检测蒸发器吸入口处空气温度的第一温度检测器、一检测蒸发器中间部分处制冷剂温度的第二温度检测器、一计算这些检测器测得温度的温差的温差检测器、和一储存压缩机累积运行时间的运行时间检测器，从而根据温差和运行时间来判断制冷剂泄漏与否。

Description

制冷系统、热泵系统及所述 系统的制冷剂泄漏检测方法
本发明涉及一种使用制冷剂的制冷装置和一种热泵式制冷装置，尤其是涉及一种检测制冷剂泄漏的制冷系统控制装置。
近来，从全球环境保护的立场出发，加强了对破坏臭氧层的物质的规定，其中，对公认具有特强破坏力的氯氟烃(CFC)，在1995年末决定完全废弃使用。同时，对于破坏力相对较小的含氯氟烃(HCFC)，于1996年开始控制其完全排放，随后也决定全部废弃使用。在这种状况下，开发了替代CFC和HCFC的制冷剂。因此，提出了使用不会破坏臭氧层的含氟烃(HFC)，但迄今为止，没有一种HFC能单独用来替代目前用于制冷机和空调器中的HCFC。因此，非常希望有一种混合有两种或多种HFC制冷剂的非共沸的混合制冷剂。尤其，HFC-32和HFC-125的混合制冷剂是替代HCFC-22(以下称R22)的一种最有前景的候选方案。其代表例为R410A(HFC-32/125＝50/50重量％)。
图8表示在一传统制冷装置中，R22或R410A制冷剂加液率对压缩机盘管温度影响的特性图。制冷剂加液率是指制冷机实际制冷剂量与额定制冷剂量的比。如图8所示，当使用传统R22的制冷机或空调器在缺少制冷剂的情况下运转时，随着压缩比的升高，排出温度上升，制冷剂的循环减少。结果，冷却效果降低，压缩机盘管温度上升。图中的阴影区域是指一安装有恒速压缩机的小型室内空调器的压缩机过载保护装置的压缩机停机点的一个例子。就该例子而论，可以知道，当使用R22的制冷装置中的制冷剂加液率约为70％时，也就是在制冷剂泄漏掉约30％时，压缩机停止运转。(但应注意，该比率会随过载保护装置的类型和空调负荷而多少有些变化。)因此，在一使用R22的制冷装置中，当发生制冷剂泄漏时，压缩机过载保护装置会因排出温度的升高而起动。因此可早期间接地检测出制冷剂的泄漏。
然而，在图8中，在缺少制冷剂R410A的情况下运转时，压缩机盘管排出温度的上升要小于使用R22的场合，冷却效果由制冷剂R410A循环的增加而提高。因此，在使用R410A时，其压缩机盘管的排出温度低于使用R22的场合。在缺少制冷剂R410A情况下压缩机盘管排出温度的这种特性，是HFC-32/125混合制冷剂的一个特征。由此可以看出，当在采用R410A的制冷装置中使用R22制冷机的压缩机过载保护装置时，压缩机可以在R410A制冷剂加液率约30％以下的范围内运转。因此，只要用户没有注意到因制冷剂不足而导致的功率下降，运转可长时间地连续进行。
日本专利公开62-158966、1-107070和6-137725中揭示了检测制冷剂量不足的方法。
在日本专利公开62-158966中，将换热器的输出温度和中间温度进行比较和计算，从而检测出制冷剂的过量或缺少或泄漏。
这种方法存在以下问题。图9是已有技术中一换热器的侧视图。如图9所示，在换热器80中，侧板7之间有许多翅片6，并有传热管5和U形管32-40穿透翅片6。制冷剂从入口31进入，从出口41排出。在换热器的中部设置一第二温度检测器21，用于检测换热器中的制冷剂温度。
利用检测换热器出口处40和中部36处的温度的方法，由于在制冷剂加液率约为40到70％时可产生温差ΔT，因此能检测出制冷剂泄漏，但在40％时，温差ΔT减小，因而无法检测出制冷剂泄漏。
另一方面，在日本专利公开1-107070中，除了换热器内制冷剂入口和出口处的温差，操作中还包括空气侧入口处和出口处的温差，以检测制冷剂不足和制冷剂泄漏。
然而，利用检测制冷剂入口和出口的温差，蒸发器入口处的制冷剂温度随吸入压力因制冷剂不足的减小而突然降低，因而使对制冷剂泄漏的检测不太有效。而且，这些方法需要两个或更多个传感器用来检测蒸发器中的温度，增加了成本。
或者，利用检测空气侧入口和出口温度的方法，由于室内装置侧的送气部中需要温度检测传感器，因此同样也会增加成本。
同时，在日本专利公开6-137725中，对制冷系统中的制冷剂温度进行定时间隔地检测，根据其变化量来判断制冷剂的泄漏与否。
然而，这种方法是定时间隔地检测制冷系统中的制冷剂温度，并根据过热变化量来判断制冷剂的泄漏与否，因此，与检测制冷剂入口和出口温差的方法一样，因制冷剂不足而导致的蒸发器功率下降无法被准确地检测出来。而且，在这种方法中，由于制冷系统中制冷剂温度的变化量始终被储存着，以判断制冷剂的泄漏与否，因此操作起来较为复杂。
因此，本发明的目的是提供一种低成本的、采用能可靠检测制冷剂泄漏的HFC制冷剂的制冷系统运转控制装置。
本发明的制冷装置包括一使用氢氟烃制冷剂的制冷系统，该系统具有一压缩机、一蒸发器、一膨胀装置和一冷凝器，它们通过一条管路顺序呈环形地连接于一起，该制冷装置还包括一检测蒸发器吸入口处空气温度的第一温度检测器、一检测蒸发器中间部分处制冷剂温度的第二温度检测器、和一计算从第一温度检测器和第二温度检测器输出的空气温度和制冷剂温度的温差的温差检测器，从而判断制冷剂的泄漏与否。
最好，该结构还包括一检测压缩机累积运行时间的运行时间检测器，从而根据温差和累积运行时间判断制冷剂的泄漏与否。
在该结构中，如果制冷剂产生泄漏，制冷系统中的制冷剂量变得不足，则制冷剂的循环减少，因此蒸发器内的制冷剂平均温度比正常运行状态更接近于蒸发器吸入口处的空气温度。根据可用于准确表示蒸发器内制冷剂平均温度的蒸发器中间部分内的制冷剂温度与蒸发器吸入口处空气温度的温差，可检测出因制冷剂泄漏而导致的功率下降。
另外，通过同步地监测压缩机的累积运行时间，以防在压缩机停机过程中的检测错误，制冷剂泄漏可以被早期而可靠地检测出来。
图1是本发明一实施例的制冷控制装置的结构简图。
图2是本发明一实施例的制冷控制装置在制冷剂R410A发生泄漏情况下蒸发器温度的分布特性图。
图3是本发明一实施例的制冷控制装置中制冷剂加液率与蒸发器温差(吸入空气—制冷剂)的特性图。
图4是关于本发明一实施例的制冷控制装置中的制冷剂泄漏检测的流程图。
图5是本发明一实施例的制冷控制装置中蒸发器一个侧部的说明图，表示出蒸发器中制冷剂的温度检测位置。
图6是本发明一实施例的制冷控制装置的结构简图。
图7是本发明一实施例中制冷剂加液率与换热器温差(吸入空气—制冷剂)的特性图。
图8是传统制冷装置中制冷剂加液率对压缩机盘管温度和制冷剂量影响的特性图。
图9是一已有技术中的蒸发器一个侧部的说明图，表示出制冷剂的温度检测位置。
图1示出本发明一实施例的制冷控制装置的结构。图1中，制冷装置包括一制冷系统和一控制装置。制冷系统由通过一条管路连接于一起的压缩机1、冷凝器2、膨胀装置3和蒸发器4构成。换热器，如冷凝器2和蒸发器4，通过一冷凝器风扇2a和一蒸发器风扇4a与空气进行热交换。设有一检测蒸发器吸入温度的第一温度检测器20和一检测蒸发器中间部分处制冷剂温度的第二温度检测器21，它们与一微型电子计算机10相连。该微型电子计算机具有一检测空气温度和制冷剂温度的温差的温差检测器11、一储存压缩机累积运行时间的运行时间检测器12和通过比较温差检测器11和运行时间检测器12来判断制冷剂泄漏与否的制冷剂泄漏判定装置13。微型电子计算机10还连接有一显示装置14和一运行装置15。该制冷系统充有R410A。这样，构成了制冷系统控制装置。
其工作情况如下所述。当使用R410A制冷剂发生泄漏时，检测位置和蒸发器制冷剂温度之间的关系如图2中所示。图3中的特性图表示制冷剂加液率和蒸发器之间的关系。图4中示出了制冷剂泄漏检测的流程图。图2中，当制冷剂量减少时，显然，由第二温度检测器21检测到的蒸发器中间部分处的制冷剂温度Tem(位置36)逐渐趋近于第一温度检测器20检测到的蒸发器吸入空气温度Tai。此温差ΔT(＝|Tai-Tem|)，也就是换热器的能力，随制冷剂量的减少而变小，如图3所示。因此，当温差ΔT低于一个特定值时，可判断制冷能力因制冷剂泄漏或制冷剂不足而降低。但是，在压缩机停止运转时，在使反相式压缩机低速运转时，或是在开动时的过渡状态中，由于温差ΔT接近于零，因而可能发生因单纯地检测温差而造成的检测错误。因此，在制冷装置需要某种制冷力的情况下，压缩机不停机，或者反相式压缩机在额定转速下连续运转，鉴于这种关系，用运行时间检测器12检测压缩机的累积运行时间t，以储存压缩机的运行状态，当累积时间t超出一特定值时，则可判断出制冷能力因制冷剂泄漏或制冷剂不足而降低。因此，如图4中的制冷剂泄漏检测流程图所示，当温差ΔT低于标准K1时，并且压缩机累积运行时间t超出标准tK1时，则可判断制冷剂有泄漏。按照这种判断，制冷剂泄漏的故障显示于图1中的显示装置14上，并且如果需要的话，运行装置15停止压缩机的运转。
下面参照附图来描述第二温度检测器21检测温度的位置。图5中表示一种有一或多排的多排多段(这里是2排10段)蒸发器的侧视图。在换热器4中，侧板7之间有许多翅片6，并有一传热管5和U形管32-40穿过这些翅片6。制冷剂从入口31送入，从出口41排出。检测蒸发器中制冷剂温度的第二温度检测器21的安装位置应排除蒸发器4的制冷剂导管入口和出口31、41，以及靠近蒸发器入口和出口的制冷剂导管。
第二温度检测器21安装位置的确定原则如下所述。
图5中，如果第二温度检测器的安装位置受蒸发器或空调器的结构限制的话，则它不能安装在蒸发器中间部分的U形管36处。在此，我们分析一下检测位置。如图2所示，随着蒸发器入口压力因制冷剂泄漏而降低，靠近蒸发器的制冷剂导管入口31的U形管32内以及导管入口中的制冷剂温度降低，而靠近蒸发器出口41的U形管40以及导管出口中的制冷剂温度因过热冷却下来而降低。然而，在其它导管(这里是U形管33-39)中的制冷剂温度没有受蒸发器入口和出口处温度下降的影响，因而蒸发器中间部分的制冷剂温度是可以检测的。因此，将第二温度检测器21安装在除制冷剂导管入口和出口处以及靠近蒸发器入口和出口的制冷剂导管处以外的其它位置，可以检测出因制冷剂泄漏而导致的制冷能力降低。
顺便提一下，例如，对于第一温度检测器和第二温度检测器，可以使用各种不同的温度传感器、元件、装置和热敏电阻。
下面参照附图来描述第二个实施例。图6表示了本发明第二个实施例的制冷装置的结构。该实施例示出一种热泵型制冷装置，作为制冷装置的一个实例。
图6中，该制冷装置包括一热泵型制冷系统和一控制装置。该热泵型制冷系统由压缩机1、换向阀51、第一换热器54、膨胀装置3和第二换热器52，它们通过一条管路连接于一起。换热器，如第二换热器52和第一换热器54，通过一第二换热器风扇52a和一第一换热器风扇54a与空气进行热交换。设有一检测第一换热器吸入温度的第一温度检测器60和一检测第一换热器中间部分处制冷剂温度的第二温度检测器61，它们与一微型电子计算机10相连。该微型电子计算机10具有一检测空气温度和制冷剂温度的温差的温差检测器11、一储存压缩机累积运行时间的运行时间检测器12和通过比较温差检测器11和运行时间检测器12来判断制冷剂泄漏与否的制冷剂泄漏判定装置13。微型电子计算机10还连接有一显示装置64和一运行装置65。该制冷系统充有R410A。这样，构成了热泵型制冷装置。
在致冷操作(实线表示)中，也就是第一换热器54用作蒸发器时，其操作与第一实施例中的相同，因此省略对其说明。在致热操作(虚线表示)中，也就是第一换热器用作冷凝器时，第一换热器制冷剂温度Tum和第一换热器吸入空气温度Tai的温差ΔT(＝Tum-Tai)、制冷剂量，也就是第一换热器的能力，随制冷剂量的减少而降低，如图7中所示。因此，当温差ΔT低于一特定值时，可判断出第一换热器的能力因制冷剂泄漏和制冷剂不足而降低。
这里，压缩机运行状态的检测方法与第一实施例中的相同。因此，在图3实施例所示的制冷剂泄漏判断中，将图4中检测制冷剂泄漏的流程中的判断常数设定为用于致热操作的K2、tK2，当温差ΔT低于标准K2，并且压缩机累积运行时间t超出标准tK2时，则可判断制冷剂有泄漏。按照这种判断，制冷剂泄漏的故障显示于图6中的显示装置64上，并且如果需要的话，运行装置65停止压缩机的运转。
在上述的实施例中，使用的是R410A，但在使用一种相同温度下饱和压力大于R22的单一HFC-32制冷剂时，或是使用一种HFC-32/125混合制冷剂时，操作基本上是相同的，而且它们的使用可以不受制冷剂混合比的限制。
由本文的描述可知，按照本发明的制冷装置，在使用HFC制冷剂的制冷装置中，可以在蒸发器能力下降的同时直接检测出制冷剂的泄漏，并且通过同步地检测压缩机的运行状态，从而能早期而可靠地检测出制冷剂的泄漏，并进行故障显示或停止操作。因此，可获得以下的效果。
1)可早期而可靠地检测出制冷剂的泄漏。
2)可防止因运转在制冷剂泄漏状态下进一步拖延而导致的能量损耗。
3)可降低因在制冷剂泄漏状态下的不正常运转而造成的制冷装置发生故障的可能性。
4)可使用现有的R22制冷机装置，成本低。
5)制冷剂温度检测装置可安装在与空调器或换热器相应的位置。
另外，制冷装置蒸发器或热泵装置中的制冷剂泄漏可以在换热器能力下降的同时直接被检测出来，因而：
6)可检测出致热操作中的制冷剂泄漏；以及
7)不管是在致冷操作中还是在致热操作中，制冷剂泄漏可以由同一装置来检测，因此可提供一种简单而便宜的热泵型制冷装置。

Claims (23)

1.一种制冷系统，包括：
一压缩机、一蒸发器，该蒸发器具有一空气吸入侧，并具有可容纳制冷剂的导管、一膨胀装置和一冷凝器，它们连接于一起；
一第一温度检测器，邻近于所述蒸发器的所述空气吸入侧，用于测量进入所述蒸发器的空气的温度；
一第二温度检测器，所述第二温度检测器的安装位置不在蒸发器的制冷剂导管入口和出口以及靠近入口和出口的制冷剂导管处，用于测量所述导管内的制冷剂的温度；
一温差检测器，用于计算
a)第一温度检测器测得的温度与
b)第二温度检测器测得的温度
之间的温差，以判定制冷剂泄漏与否。
2.如权利要求1所述的制冷装置，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，它还包括：
一测量所述制冷系统运行时间的运行时间检测器；
第一温度检测器测得的温度与第二温度检测器测得的温度之间的温差以及所述制冷系统的累积运行时间被用来判定制冷剂泄漏与否。
4.如权利要求1或3所述的制冷系统，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
5.如权利要求1或3所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸发器具有一与所述膨胀装置相连的入口和一与所述压缩机相连的出口，所述第二温度检测器远离于所述蒸发器的所述入口和所述出口。
6.一种热泵系统，包括：
一压缩机、一换向阀、一第一换热器，该第一换热器具有一空气吸入侧，并具有可容纳制冷剂的导管、一膨胀装置和一第二换热器，它们连接于一起；
一第一温度检测器，邻近于所述第一换热器的所述空气吸入侧，用于测量进入所述第一换热器的空气的温度；
一第二温度检测器，所述第二温度检测器的安装位置不在蒸发器的制冷剂导管入口和出口以及靠近入口和出口的制冷剂导管处，用于测量所述导管内的制冷剂的温度；
一温差检测器，用于计算
a)第一温度检测器测得的温度与
b)第二温度检测器测得的温度
之间的温差，以判定制冷剂泄漏与否。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
8.如权利要求6所述的热泵系统，其特征在于，它还包括：
一测量所述制冷系统运行时间的运行时间检测器；
第一温度检测器测得的温度与第二温度检测器测得的温度之间的温差以及所述制冷系统的累积运行时间被用来判定制冷剂泄漏与否。
9.如权利要求6或8所述的系统，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
10.如权利要求6或8所述的制冷系统，其特征在于，所述第一换热器具有一第一连接器和一第二连接器，所述第一连接器是入口或出口中的一个，所述第二连接器是入口或出口中的另一个，所述第二温度检测器位于所述蒸发器的所述入口和所述出口之间。
11.如权利要求8所述的热泵系统，其特征在于，它还包括：
所述第一换热器邻近于一第一位置；
所述第二换热器邻近于一第二位置；
在所述第一位置的温度低于所述第二位置的温度时，所述第一换热器用作蒸发器。
12.如权利要求11所述的热泵系统，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
13.如权利要求6或11所述的热泵系统，其特征在于，所述第一换热器具有一第一连接器和一第二连接器，所述第一连接器是入口或出口中的一个，所述第二连接器是入口或出口中的另一个，所述第二温度检测器位于所述蒸发器的所述入口和所述出口之间。
14.一种如权利要求1所述的制冷系统的制冷剂泄漏检测方法，所述方法包括：
a)测量进入所述蒸发器的空气的温度；
b)测量所述导管内的制冷剂的温度；
c)计算步骤a)和b)中测得的温度之间的温差，从而判定制冷剂泄漏与否。
15.如权利要求14所述的制冷系统中制冷剂泄漏检测方法，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
16.一种如权利要求3所述的制冷系统的制冷剂泄漏检测方法，所述方法包括：
a)测量进入所述蒸发器的空气的温度；
b)测量所述蒸发器内的制冷剂的温度；
c)计算步骤a)和b)中测得的温度之间的温差；
d)测量所述制冷系统的累积运行时间；
e)用步骤c)中测得的温差和步骤d)中测得的运行时间来判定制冷剂泄漏与否。
17.如权利要求16所述的制冷系统中制冷剂泄漏检测方法，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
18.一种如权利要求6所述的热泵系统的制冷剂泄漏检测方法，所述方法包括：
a)测量进入所述第一换热器的空气的温度；
b)测量所述蒸发器内的制冷剂的温度；
c)计算步骤a)和b)中测得的温度之间的温差，从而判定制冷剂泄漏与否。
19.如权利要求18所述的热泵系统中制冷剂泄漏检测方法，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
20.一种如权利要求8所述的热泵系统的制冷剂泄漏检测方法，所述方法包括：
a)测量进入所述蒸发器的空气的温度；
b)测量所述蒸发器内的制冷剂的温度；
c)计算步骤a)和b)中测得的温度之间的温差；
d)测量所述制冷系统的累积运行时间；
e)用步骤c)中测得的温差和步骤d)中测得的运行时间来判定制冷剂泄漏与否。
21.如权利要求20所述的热泵系统中制冷剂泄漏检测方法，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)HFC-32；
(b)HFC-32和HFC-125。
22.一种如权利要求11所述的热泵系统中的制冷剂泄漏检测方法，所述方法包括：
a)测量进入所述蒸发器的空气的温度；
b)测量所述蒸发器内的制冷剂的温度；
c)计算步骤a)和b)中测得的温度之间的温差；
d)测量所述制冷系统的累积运行时间；
e)用步骤c)中测得的温差和步骤d)中测得的运行时间来判定热泵系统中是否存在制冷剂泄漏。
23.如权利要求22所述的热泵系统中制冷剂泄漏检测方法，其特征在于，所述制冷剂是以下制冷剂中的一种：
(a)单一HFC-32制冷剂；
(b)HFC-32和HFC-125混合制冷剂。
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